Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/29456
Title: Application of aqueous biphasic systems for the separation of amino acids and proteins
Other Titles: Aplicação de sistemas aquosos bifásicos na separação de aminoácidos e proteínas
Author: Belchior, Diana Cléssia Vieira
Advisor: Duarte, Iola Melissa Fernandes
Martins, Guadalupe Freire
Keywords: Aqueous biphasic system
Ionic liquid
Polymer
Extraction
Separation
Amino acids
Proteins
Defense Date: Jul-2019
Abstract: This work was focused on the application of aqueous biphasic systems (ABS) composed of tetraalkylammonium-based ionic liquids (ILs) aiming at developing more effective separation processes for amino acids and proteins. It is first demonstrated the impact of the alkyl chain length of the IL anion on the ABS formation and on these systems performance to extract amino acids, where odd-even effects have been identified. ILs composed of anions with even alkyl chains exhibit a slightly higher capacity to form ABS, whereas systems formed by ILs with anions comprising odd alkyl chains lead to slightly higher amino acid partition coefficients. After addressing the ILbased ABS performance to extract amino acids, it is then demonstrated the influence of the IL chemical structure and the effect of pH on the extraction and recovery yield of ovalbumin and lysozyme, two proteins present in egg white. At pH 7, the complete extraction and recovery of lysozyme to the ILrich phase was achieved with all systems; however, low ovalbumin recovery yields were obtained with ABS formed by ILs with longer alkyl side chains. Molecular docking studies revealed that ILs that preferentially establish hydrophobic interactions with these proteins lead to their aggregation and lower recovery yields. The recovery of the proteins (up to 99%) from the ILrich phase by precipitation with ice-cold ethanol was also demonstrated. Finally, polymer-salt ABS comprising ILs as adjuvants (at 5 wt%) were investigated to tailor the phases polarities and these systems selectivity to simultaneously separate ovalbumin and lysozyme. Studies with commercial proteins and directly from egg white were carried out. With the systems in which no IL was added it was observed a preferential partition of ovalbumin to the polymer-rich phase, which contains the IL, whereas lysozyme tends to precipitate at the interphase. A similar trend was observed when applying the same systems to separate both proteins from egg white. However, when ILs are added, the ovalbumin and lysozyme preferentially partition to the salt-rich and PEG-rich phases, respectively, while avoiding the precipitation of the latter protein. Nevertheless, when the same systems are applied to egg white, the same behavior was not observed, indicating that a more complex phenomenon occurs due to the presence of other proteins in egg white. Although further research on the viability of some of the studied ILs and systems is still required, the results presented in this work disclose the relevance of ABS comprising ILs in the development of efficient separation processes for amino acids and proteins.
Este trabalho teve como objectivo a aplicação de sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos (LIs) da familía dos tetraalquilamónios no desenvolvimento de processos de separação mais eficientes para aminoácidos e proteínas. É primeiramente demonstrado o efeito do comprimento da cadeia alquílica do anião do LI na formação de SAB e no desempenho destes sistemas na extração de aminoácidos, tendo-se identificado efeitos par-ímpar. Os LIs constituídos por aniões com cadeias alquílicas pares exibem uma capacidade ligeiramente superior para formar SAB, enquanto que os sistemas formado por LIs com aniões compreendendo cadeias alquílicas ímpares conduzem a coeficientes de partição de aminoácidos ligeiramente superiores. Depois de avaliar o desempenho de SAB com LIs para extrair aminoácidos, foi demonstrada a influência da estrutura química dos LIs e do efeito do pH na extração e no rendimento de recuperação de ovalbumina e lisozima, duas proteínas existentes na clara de ovo. A pH 7, obtiveram-se extrações e recuperações completas de lisozima para a fase enriquecida em LI; no entanto, foram obtidos rendimentos de recuperação de ovalbumina inferiores utilizando SAB compreendendo LIs com cadeias laterais alquílicas mais longas. Estudos por molecular docking reveleram que os LIs que estabelecem preferencialmente interações hidrofóbicas com essas proteínas levam à sua agregação e a menores rendimentos de recuperação. A recuperação das proteínas (até 99%) da fase rica em LI por precipitação com etanol também foi demonstrada. Por fim, foram estudos SAB utilizando LIs como adjuvantes (a 5 m/m%) na formação destes sistemas e para manipular a seletividade das fases visando a separação simultânea da ovalbumina e lisozima. Foram realizados estudos com proteínas comerciais e com clara de ovo. Com os sistemas em que não foi adicionado LI, observou-se a partição preferencial da ovalbumina para a fase enriquecida em polímero que contém o LI, enquanto a lisozima tende a precipitar na interface. Foi observada uma tendência semelhante quando se aplicaram os mesmos sitemas para separar ambas as proteínas da clara de ovo. No entanto, quando se adiciona LI, a ovalbumina e a lisozima particional preferencialmente para as fases enriquecidas em sal e polímero, respectivamente, evitando também a precipitação da última proteína. Entretanto, não se observou a mesma tendência quando se aplicaram os mesmos sistemas à clara de ovo, revelando que existe um fenómeno mais complexo que se deve à presença de outras proteínas da clara de ovo. Embora ainda sejam necessários estudos adicionais sobre a viabilidade de alguns dos LIs e sistemas estudados, os resultados obtidos neste trabalho revelam a relevância de SAB compreendendo LIs no desenvolvimento de processos de separação para aminoácidos e proteínas.
URI: http://hdl.handle.net/10773/29456
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DQ - Teses de doutoramento

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